Y CAMBIOS DE ESTADO SÚBITOS

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es proporcionar un proceso que permite elevar la densidad energética de un volumen de un fluido aumentando su presión a partir de calor y cambios de estado, aún en bajísimos diferenciales de temperatura, con la finalidad de ejercer trabajo mecánico útil. Las etapas del proceso son una combinación de cambios entre los estados liquido y vapor. Según la implementación deseada estos cambios pueden lograr superar los valores críticos de presión y/o temperatura resultando en fluido supercritico, liquido compresible o gas. El proceso se demuestra en una celda prototipo. Estas etapas pueden tener lugar en un único volumen que se adapta a éstas o en una secuencia de volúmenes especializados en cada una de ellas. Las etapas pueden suceder secuencialmente o, donde se potencien mutuamente, puede preferirse que tengan lugar concurrentemente.

ANTECEDENTES Y ARTE PREVIO

El antecedente más cercano de la presente invención es el proceso en el cual se basa el Motor Stirling, como se llama desde 1945 al motor "de aire caliente" patentado por Robert Stirling, en 1816, junto al "regenerador", que lo diferenciaba de otros motores de aire caliente contemporáneos .

Sin embargo, a pesar de que la característica del Motor Stirling es ejercer trabajo a partir de convertir calor en energía potencial neumática expresada en una diferencia de presiones, como en el invento, en el motor Stirling ello se logra mediante la diferencia de volúmenes específicos del mismo gas a distintas temperaturas y en la presente invención se orienta por otro mecanismo termodinámico : alcanzar dicha diferencia de volúmenes cambiando de estado el fluido de trabaj o .

También se encuentra en el arte más cercano tres documentos patentes, que indican cambios de estado:

CN201858043 (U) - Working Fluid Phase Change Cycle Single Acting Vane Heat Engine Motor de vanos estándar y, por tanto, basado en una diferencia de presión en el fluido de trabajo. Este diferencial de presión se logra en base a la diferencia de volúmenes específicos de los distintos estados del fluido de trabajo. Mediante su evaporación a la entrada se genera una presión alta y su condensación a la salida reduce el volumen específico determinando una presión menor. El calor es tanto aportado como extraído desde fuentes externas, a temperaturas criogénicas, en el caso de la condensación. El fluido en proceso de expansión es inyectado entre los vanos de cámaras que están aumentando su volumen y es retirado cuando las cámaras empiezan a reducir su volumen por medio de la aspiración de la presión reducida que genera su condensación.

EP2087210 (Al) - Method For Converting Heat Energy And Rotary Vane Pistón Motor - Motor basado en un fluido saturado que cambia linealmente de estado en forma externa para aplicar el trabajo en motor de pistones rotativos oscilantes.

GB2528522 (A) - Thermodynamic Engine Motor que trabaja cambiando de estado un fluido de trabajo por medio de un segundo fluido portante de calor. El intercambio de calor se hace combinando el fluido de trabajo con el segundo fluido.

La presente invención tiene en común con estos tres últimos antecedentes en que en todos ellos se aplica un cambio de estado en el fluido de trabajo. Sin embargo la diferencia con todos ellos es que mientras en ellos se logra el cambio de estado aplicando o extrayendo calor en toda la masa en general, en la invención se fuerzan las condiciones de presión y temperatura que provocan un cambio de estado espontáneo, a veces en forma selectiva en una parte de la masa .

Esta diferencia es muy significativa ya que en los casos antecedentes se necesita de un diferencial de temperatura para lograr una transferencia de calor (Ley de Enfriamiento de Newton) y el éxito del cambio de estado depende de la amplitud de este diferencial. En el invento al generar las condiciones de cambio de estado espontáneo se logra que el fluido se evapore aún estando a la misma temperatura que su entorno pero absorbiendo calor provocando su enfriamiento o que se condense rechazando calor que resulta en el aumento de temperatura de su entorno.

Los fundamentos teóricos de las propiedades termodinámicas que se aplican en la presente invención están basados en las propiedades inherentes de los fluidos y sus cambios de estado. Estas propiedades fueron estudiadas James Thomson, Thomas Andrews y Johannes Van der Waals, cuyos trabajos son antecedentes de la invención.

El Dr . Thomas Andrews, en su articulo "Sobre la Continuidad de los Estados de la Materia Gaseosos y Líquidos"

("On the Continuity of the Gaseous and Liquid States of Matter", 1869) había anticipado la licuefacción de los gases hasta entonces considerados "permanentes". Al determinar que el dióxido de carbono no era condensable por encima de los 304K, con independencia de la presión, estimó que existía un valor de temperatura por encima del cual los gases ya no podrían licuarse. Estimó entonces que los gases permanentes podrían ser licuados si se enfriaban lo suficiente, es decir, por debajo de esta temperatura, que luego se conocería como "crítica". Esta temperatura es uno de los valores de lo que hoy se llama el "punto crítico". El último "gas permanente", el helio, fue licuado en 1908 en Holanda por Kamerlingh Onnes, verificando la teoría de Thomas Andrews.

James Thomson, hermano de William, luego Lord Kelvin, y colega del Dr . Thomas Andrews, en Belfast, en tanto también estudiaba la licuefacción de los gases. En esto notó y estudió lo que llamó "la dificultad de lograr el comienzo del cambio de estado" ("difficulty of making a beginning of their change of State") . Esta dificultad es lo que actualmente se denomina "subenfriamiento" y "sobrecalentamiento", considerados hoy "estados metaestables" o "metaestados" .

Johannes van der Waals ganó premio Nobel de Física en 1910 por su trabajo en la ecuación del estado de los gases y los líquidos. Su trabajo es importante respecto del invento en dos aspectos. En el primero, Van der Waals logró estimar estos estados metaestables al descubrir sus límites. Estableció a qué presiones máximas/mínimas puede mantenerse líquido o gaseoso, respectivamente, en función de la temperatura. En una gráfica de presión en función del volumen, las isotermas subcríticas tienen un valle (mínima presión) y un pico (máxima presión) dentro de la campana de coexistencia líquido/vapor cuyo conjunto describen la línea tras la cual la nucleación o condensación es espontánea. Esta línea fue llamada "espinodal". En el segundo aspecto Van der Waals probó que en sus valores reducidos todos los fluidos se desvían del comportamiento de gas ideal en más o menos el mismo grado. Esto es el " Teorema de los Estados Correspondientes" ("Theorem of Corresponding States", 1873) . Este teorema establece que todos los fluidos, cuando se comparan con la misma temperatura y presiones reducidas se desvían del comportamiento de gas ideal en más o menos el mismo grado. El ejemplo más importante es la Ecuación de Van der Waals, cuya forma reducida se puede aplicar a todos los fluidos .

Como corolario del trabajo de estos científicos se logra dibujar el Gráfico 1 que permite anticipar el comportamiento físico de todos los fluidos que ante el calor no sufran cambios químicos, es decir que su fórmula no cambie y no se transforme en otro compuesto.

Este Gráfico 1 detalla las isotermas llamadas "de Van der Waals" en una gráfica de P=/(V) . "K" es el punto crítico. Pasando por "K", está la "campana", llamada "curva binodal" o "curva de Andrews" que encierra el área de coexistencia líquido-vapor. Esta curva es cortada por las isotermas subcríticas, en azul, que tienen el mínimo y el máximo previstos cuyo conjunto forman la línea "espinodal". Este gráfico detalla los estados metaestables : líquido estirado, líquido sobrecalentado y vapor subenfriado.

Es conocido en el arte, entonces, que aquellos fluidos que frente al calor no cambian químicamente, esto es, que no se convierten en otro compuesto, pueden cambiar de estado de agregación, y estar en uno u otro estado según su temperatura y presión. Pueden cambiar directamente o entrar en un estado metaestable hasta que se rompa el equilibrio, o llegue a su máximo .

El invento se basa en el aprovechamiento de estas propiedades en un proceso convenientemente determinado capaz de ser desarrollado en un dispositivo mecánico también específicamente diseñado sobre un fluido de trabajo que las cumpla y elegido en función de sus propiedades termodinámicas respecto de la aplicación pretendida.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es proporcionar un proceso que permite elevar la densidad energética de un volumen de un fluido aumentando su presión a partir de calor y cambios de estado, aún en bajisimos diferenciales de temperatura, con la finalidad de ejercer trabajo mecánico útil. Las etapas del proceso son una combinación de cambios entre los estados liquido y vapor. Según la implementación deseada estos cambios pueden lograr superar los valores críticos de presión y/o temperatura resultando en fluido supercritico, liquido compresible o gas. El proceso se demuestra en una celda prototipo. Estas etapas pueden tener lugar en un único volumen que se adapta a éstas o en una secuencia de volúmenes especializados en cada una de ellas. Las etapas pueden suceder secuencialmente o, donde se potencien mutuamente, puede preferirse que tengan lugar concurrentemente.

En términos termodinámicos , se trata de un aumento de energía interna del fluido. La energía interna, por el primer principio de la Termodinámica (AU=Q+W) , se puede aumentar aportando trabajo (W) , por ejemplo, reduciendo el volumen sobre la misma masa con un pistón; o aumentando la masa en mismo volumen, como en un compresor axial; o aportando calor (Q) , con una caldera; todas formas conocidas en el arte.

La novedad de la invención radica en que el aporte de calor al fluido se hace por absorción de calor latente al provocar deliberada y controladamente una ebullición espontánea súbita donde no se esperarla que suceda, en un sistema confinado, con su correspondiente cambio de estado por evaporación. Esto determina que la transferencia de calor no es producida por la fuente de calor en proporción a la diferencia de temperatura, como prescribe la Ley de Enfriamiento de Newton, sino absorbida por el fluido que cambia de estado y, en consecuencia, su magnitud no depende de esta diferencia. La temperatura se mantiene incambiada en el fluido que se evapora. Este principio de funcionamiento provoca un desequilibrio termodinámico cuyo proceso de equiparación consiguiente, adiabático en términos ideales, tiene como consecuencias las otras etapas reivindicadas y, la suma de todas es el invento.

El invento reivindicado es_un_proceso_de potencialización, o aumento en energía potencial, de un fluido para su conversión en trabajo en un ciclo termodinámico reversible (AS=0) sin intercambio químico con su entorno. La implementación del invento tiene como base un circuito de bomba de calor diseñado específicamente con este objetivo donde la implementación es una estación más destinada a potenciar un porcentaje del fluido condensado a alta presión con todo el calor que haya sido capturado en la etapa de evaporación. En consecuencia, la presente invención proporciona, en un modo de realización que se describirá más adelante, el proceso y las etapas de éste a través del cual se alcanza la maximización de la entropía del fluido. La reducción al punto de partida, cerrando el ciclo termodinámico, se lleva a cabo convirtiendo la energía potencial adquirida en trabajo mediante alguno de los métodos ya conocidos, o por conocer en el arte, montado en serie a continuación del proceso en este mismo circuito. Como se dijo antes, el resultado es un ciclo termodinámico reversible sin intercambio químico con su entorno.

Su campo de aplicación es el sector de producción de trabajo mecánico, particularmente, pero no restringido, donde la fuente de energía esté disponible en forma de calor, aún a baja temperatura. Sus ámbitos de aplicación más notables, sin limitarse a éstos, son el de la eficiencia energética, el de la generación de energía y, con particular énfasis, el del transporte .

En el área de eficiencia energética permite aprovechar en forma de regeneración o de cogeneración el calor de deshecho de los procesos industriales, el no deseado contenido en los efluentes, o fluidos en general que se necesiten transportar, y/o el calor de rechazo de los condensadores en los equipamientos frigoríficos.

En el campo de la generación permite la generación a partir de la cosecha del calor atmosférico o de un volumen de agua. En el caso del calor atmosférico la cosecha incluye el del calor latente de la humedad condensada concurrentemente.

En el caso del transporte permite generar la energía mecánica a partir de una batería de calor en forma de volúmenes de líquidos o sólidos calientes, ahorrando otros métodos de almacenamiento fisicoquimicos de energía. Donde las condiciones lo permitan el calor puede ser también el de origen atmosférico o, en el caso de navegación, el del agua.

La invención admite el uso de fuentes múltiples de calor simultáneas, o en serie. En el caso de la automoción permite tener una fuente liquida abordo y una de origen atmosférica, aunque sea mínima. Esta fuente o fuentes secundarias son útiles para economizar el calor de la fuente principal o para cederle calor en los momentos de no-utilización.

BREVE DESCRIPCIÓN DE CADA FIGURA

Figura la - Gráfico de P=f(T ) para el Estudio de la Linea de Saturación y los Limites de Sobrecalentamiento y

Subenfriamiento para el fluido térmico R410a.

Figura Ib - Gráfico de P=f(T ) para el Estudio de la Linea de Saturación y los Limites de Sobrecalentamiento y

Subenfriamiento para el fluido térmico R744 - CO2. Figura 2a - Esquema de la Celda básica Prototipo de la invención. Se muestran los elementos esenciales del dispositivo: tubo en cobre (a veces llamado también "cámara de carga" o "cámara de procesamiento") , con manómetro, Termocupla y válvula esférica de acceso.

Figura 2b - Evolución de Variables relevantes en el CICLO

COMPLETO del proceso de carga de energía potencial, presentadas en forma gráfica Secuencial de muestreo-40 Hz (40 muéstreos corresponden a ls) vs Valor de Referencia Múltiple. Los datos representados surgen de un muestreo con R744 de fluido de trabajo y objetivo subcritico.

Figura 2c - Gráfico de evolución de los puntos P-T relevados (presión-temperatura) , durante el ciclo de carga, proceso de despresurización por descarga, con curva de saturación, como referencia.

Figura 3a - Esquema gráfico de la arquitectura de la Unidad prototipo 'C _å ' ·

Figura 3b - Evolución de Variables relevantes en el CICLO

COMPLETO del proceso de carga de energía potencial . Se presentan las variables relevantes al proceso, Temperatura (°C xlO), Presión (PSIg) , Porcentaje de la Masa Total de Fluido en Vapor (%M x2000 +500) , Porcentaje del Volumen

Total en Vapor (%V x800 +500) . Cada punto de los gráficos corresponde a "puntos de muestreo" tomados secuencialmente a razón de 40 por segundo (40Hz) .

Figura 3c - Detalle de la Evolución de Variables relevantes durante la carga por Evaporación Súbita y Expansión Térmica .

Este gráfico es un detalle de la primera mitad del gráfico de la figura 3b, mostrándose en escala más expandida. Se muestran las distintas etapas que serán descriptas con los ejemplos de realización.

Figura 3d - Detalle de la Evolución de Variables relevantes durante la carga por Evaporación Súbita y Expansión Térmica, con referencias de hitos. En este detalle, que es el mismo presentado en la Figura 3c, se le han agregado lineas verticales de referencia, que siguen el orden en las referencias. Las lineas azules largas son cambios en el aparato y las café cortas son referencias físicas del proceso. Las lineas rojas indican la entrada al estado de fluido compresible, la primera, y al estado de fluido supercritico, la segunda.

Figura 3e - Gráfico de evolución de los puntos P-T relevados (presión-temperatura) , durante el ciclo de carga, proceso de despresurización por descarga, con curva de saturación, como referencia.

Figura 4a - Circuito Frigorífico de ejemplo integrando la celda de la invención, como serán utilizados en los ejemplos 3A y 3B. La etiquetas refieren a los sistemas descritos en el detalle de los ejemplos (1-4, circuito frigorífico base; A-D, motor; a-d, ciclo entálpico del invento) .

Figura 4b - Gráfico de Mollier. Ciclo termodinámico usando R410a como fluido de trabajo en un circuito de trabajo que incluyen las celdas de la invención, relacionado con el

Ejemplo 3A.

Figura 4c - Gráfico P=/(V) . Ciclo de trabajo usando R410a del motor monocilindrico del Ejemplo 3A.

Figura 4d - Gráfico de Mollier. Ciclo termodinámico usando R744 como fluido de trabajo en un circuito de trabajo que incluyen las celdas de la invención, relacionado con el

Ejemplo 3B.

Figura 4e - Gráfico P=/(V) . Ciclo de trabajo usando R744 del motor monocilindrico del Ejemplo 3B.

Figura 5a - Esquema gráfico del Invento en un posible modo de realización de un dispositivo de generación pulsante. Se muestra un conjunto de cilindro con pistón funcionando como las celdas de la invención, relacionado con el Ejemplo 3.

Figura 5b - Muestra el perfil de la Corona de Levas. Se muestra también una disposición de 6 cilindros sobre una corona de 4 instancias, relacionado con el Ejemplo 3.

Figura 6 - Esquema gráfico del Invento en un posible modo de realización de un dispositivo de generación continua o axial con turbina.

Terminología

Los siguientes términos, tal como se usan en la presente invención, quedan definidos de la siguiente manera:

- Autoenfriamiento: Nombre del proceso en un fluido saturado que resulta con una temperatura final menor a la temperatura inicial sin rechazar calor al ambiente. Es el resultado de una caída de presión muy rápida, o en un envase adiabático, que determina la evaporación de al menos una parte de la masa liquida en cantidad necesaria para alcanzar un nuevo equilibrio de saturación. El calor de evaporación surge del calor sensible lo que determina una menor temperatura final del sistema.

- Cambio de Estado: evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición

- Celda de la invención: Este término se refiere a un conjunto de elementos mecánicos que, vinculados apropiadamente entre sí, permiten desarrollar el método de la invención. Este conjunto de elementos vinculados denominado celda puede incluir parcial o totalmente elementos tales como: cámaras o recipientes, válvulas, calentadores, termostatos, termocuplas, termómetros, manómetros, cañerías, componentes electrónicos, componentes de control, según sea el objetivo de su aplicación.

- Coeficiente de Rendimiento (CoP, Coefficient of Performance) : Es la relación numérica entre la energía desplazada y el trabajo requerido para hacerlo. Una relación de 1 significa la misma cantidad de trabajo que de energía desplazada. Mayor a 1 indica que se desplaza más que el trabajo requerido y menos de 1, que la energía desplazada es menor al trabajo requerido.

- Deslizamiento (Glide) : Propiedad de las mezclas zeotrópicas. Es el rango de temperaturas en las que ocurre el cambio de estado, al tener sus componentes distintos puntos de ebullición. En los refrigerantes este deslizamiento tiene usualmente unos 4 a 7 Kelvin, pero puede ser mayor o menor sólo dependiendo de la mezcla de fluidos térmicos.

- Ebullición : Es la vaporización rápida en toda la masa de un líquido que ocurre cuando se alcanza la temperatura para la cual cada valor de presión por debajo de la presión crítica en la que el fluido pueda estar en estado líquido.

- Ebullición Súbita: Es la ebullición que tiene lugar cuando un líquido se encuentra repentinamente en estado de excesivo sobrecalentamiento o que estando sobrecalentado es perturbado perdiendo la estabilidad. Esta ebullición puede ser total o parcial -o localizada-. Una ebullición súbita total afecta toda la masa y ocurre cuando queda en estado de sobrecalentamiento por una reducción drástica de presión. Esta reducción de presión produce una nucleación homogénea instantánea. Una ebullición súbita localizada ocurre cuando una fuente intensa de calor incide tan rápidamente en algún punto de la masa, que la evapora, sin cambiar el fluido circundante .

- Ebullición Laminar: Es un tipo de ebullición que ocurre por aporte de calor cuando la superficie de aporte de calor está significativamente más caliente que el punto de ebullición del líquido. Esto determina un flujo de calor superior al que el fluido puede transmitir, evaporando las moléculas afectadas. Estas moléculas generan una capa muy fina de vapor entre la superficie caliente y el líquido, la cual le da el nombre, que tiene menos conductividad que el líquido, lo que mantiene el sistema.

Ebullición Nuclear: Tipo de ebullición que se produce cuando aparecen burbujas de vapor o "núcleos" de evaporación. Estos núcleos pueden ser en torno a una impureza o la intersección de ondas hipobáricas, que generan puntos de muy baja presión, en caso de una despresurización repentina. Existen dos tipos según la distribución de las burbujas: homogénea o heterogénea.

- Ebullición Nuclear Homogénea: Es una ebullición nuclear en la que los núcleos de evaporación se reparten en igual proporción en toda la masa del líquido. Se generan típicamente por despresurización.

- Ebullición Nuclear Heterogénea: Es una ebullición nuclear en la que los núcleos se generan en la superficie de contacto con el líquido. Estos núcleos se forman en torno a impurezas o rugosidad en la superficie. Si esta superficie es muy lisa el líquido puede sobrecalentarse sin entrar en ebullición.

- Equilibrio Dinámico: En un sistema cerrado cuando la masa de líquido que se evapora iguala a la de vapor que se condensa se dice que el sistema está en "equilibrio dinámico", o "equilibrio evaporatorio". Se corresponde con el estado de saturación.

- Equilibrio Evaporatorio: es equivalente a Equilibrio Dinámico .

- Estado de Saturación: Estado de un fluido cuya temperatura y presión están en directa correspondencia y se logra el equilibrio dinámico. La presión de vapor es la máxima posible para su temperatura y su temperatura es la máxima para su presión de vapor, sin entrar en ebullición. - Evaporación (o condensación) lineal: se refiere a la evaporación o condensación habitual, por ser lineal su tasa de cambio de estado por unidad de tiempo, en sistemas abiertos .

- Fluido Azeotrópico (mezcla) : Mezcla liquida de composición definida entre dos o más compuestos químicos que hierve a una temperatura constante, a presión constante, y se comporta como si estuviera formada por un solo componente. Su fase vaporosa tiene la misma composición que su fase liquida.

- Fluido Zeotrópico (mezcla) : Una mezcla zeotrópica (ISO 817) o "no azeotrópica", es un fluido mezcla de dos o más componentes que tienen distinto punto de ebullición. Su composición por fase va variando con la evaporación, ya que sus componentes se comportan con independencia y tienen distintos indices de evaporación.

- Fluido Supercrítico (FSC) : Estado del fluido que se encuentra a mayor temperatura y presión que su temperatura y presión critica. Se caracteriza por combinar las propiedades de los líquidos y de los gases. No hay transición de fase entre liquido y vapor.

- Fluido Compresible: Fluido por encima de su Presión Critica, pero debajo de la Temperatura Critica. Se comporta como un liquido, pero admite ser comprimido.

- Fluido de Trabajo: Es el fluido (liquido o gas) que se utiliza en el dispositivo de la invención y sobre el cual se aplican las acciones del método de la invención.

- Gráfica de Mollier: Gráfico termodinámico que tenga como uno de sus ejes a la Entalpia (h) llamado asi desde 1923 en honor al profesor alemán Richard Mollier, pionero en investigación experimental en termodinámica.

- Línea Espinodal : Es la linea que detalla el limite de estabilidad local. En el ámbito del invento, y en la gráfica de valores reducidos P=/(V) , es la linea definida por el conjunto de las raíces de la primera derivada de las isotermas subcríticas de Van der Waals y el punto crítico.

Línea binodal , de coexistencia o "de Andrews": Es la línea que detalla el límite de coexistencia de más de una fase o estado de agregación de la materia. La línea de Andrews es una binodal en especial, en forma de campana, que surge en la gráfica P=/(V) y que describe el límite del fluido bifásico - contenidos en la campana-. La línea de Andrews se suele dividir en dos: el límite del área de coexistencia con el estado líquido, llamada "línea de burbujeo", y el límite del fluido bifásico con el vapor, llamada "línea de goteo".

Líquido Elongado : Es el estado metaestable de un líquido en el que la presión ejercida sobre la superficie expuesta del líquido es menor a cero (presión negativa) , aumentando su espacio intermolecular. Cuando se rompe el equilibrio hay una evaporación parcial del líquido que llena el espacio dejado por las moléculas que vuelven a su distancia correspondiente a la temperatura.

Líquido Sobrecalentado: Es el estado metaestable de un líquido que, sin estar en ebullición, su temperatura excede su temperatura de saturación a la presión a la que está sometido o, a la inversa, cuando su presión está por debajo de la presión de saturación en función a la temperatura que se encuentra. Cuando se rompe el equilibrio el líquido se entra en ebullición espontáneamente.

Masa Térmica, Batería de Calor o Volante Térmico: Masa de material en el estado más adecuado a su función que tiene por objeto contener -en términos prácticos relativos al intercambio- una cantidad infinita de calor. Puede ceder o recibir calor sin cambiar significativamente su temperatura.

Metaestabilidad: Es la propiedad del sistema con varios estados de equilibrio posibles, que puede alcanzar pseudo- estabilidad intermedia, o estabilidad precaria, que se mantiene en el tiempo en tanto no sean afectados por una perturbación externa.

- Presión Crítica : Presión a partir de la cual el liquido es comprimible y no puede ser convertido en gas con independencia de su temperatura.

- Propiedades Críticas: Son aquellas que describen y determinan el punto critico y el comportamiento de los fluidos en el entorno de éste.

- Punto Crítico : Punto en que el fluido se encuentra en su presión critica a su temperatura critica. Es la culminación de mayor temperatura y presión de la curva de saturación.

- Punto de Ebullición : Es el punto en la escala de temperatura en la que la presión de vapor de un liquido se iguala con la presión externa a la que está sometido. Es una propiedad de cada fluido.

- Temperatura Crítica : Temperatura a partir de la cual un fluido en estado gaseoso no puede ser condensado con independencia de la presión, en la que un "vapor" pasa a llamarse "gas".

- Valores Críticos: Módulo de valor del punto critico, en términos de presión, temperatura y volumen especifico (o densidad)

- Valores Reducidos: Son valores escalares resultantes del cociente de la presión, temperatura o volumen entre sus respectivos valores críticos. Un valor igual a 1 denota el valor critico, menor a 1 son valores "subcriticos" y mayores a 1 son supercriticos , o transcriticos .

- Valores subcríticos: Valor de estado del fluido menores al valor critico, o módulo del punto critico, en su escala correspondiente .

- Valores supercriticos, o transcríticos: Valor de estado del fluidos mayores al valor critico, o módulo del punto critico, en su escala correspondiente. - Válvula Check o Antirretorno : Válvula de control de flujo dispuesta en cañería que sólo permite flujo en un sentido, impidiendo el flujo en sentido contrario.

- Válvula Flow-Check: Válvula análoga a la Check, que además de permitir flujo en un solo sentido, limita su máximo caudal. Permite el flujo solo el sentido determinado. Impide el paso si el flujo cambia de sentido, o si excede un máximo, aún en el sentido previsto.

- Vapor Subenfriado: Es el estado metaestable de un vapor en el cual su temperatura está por debajo de su temperatura de saturación a la presión que se encuentra, o por el contrario, se encuentra a una presión mayor a la presión de saturación correspondiente a su temperatura. Cuando se rompe el equilibrio el vapor se condensa espontáneamente.

- Vecindad de Punto Crítico (Near-critical point) : Región de Presión/Temperatura cercana al punto crítico donde las propiedades físicas de los fluidos presentan variaciones muy rápidas de propiedades.

- Zonas de metaestabilidad: En la gráfica de P=/(V) , donde se trazan las isotermas de Van der Waals y las líneas epinodal y de Andrews, se denotan tres áreas llamadas de "metaestabilidad", por el estado de equilibrio precario del fluido. Estas son el área de presiones negativas ("liquido elongado") , y las áreas resultantes entre las líneas de Andrews y espinodal. El área entre la línea de Andrews menor al punto crítico o "línea de burbujeo" y la espinodal de mínimas es el área de "sobrecalentamiento" . El área entre la curva de Andrews mayor al punto crítico o "línea de goteo" y la espinodal de máximas, es el área de "subenfriamiento" . El fluido puede estar en esas áreas sin cambiar de estado en la medida que no sea perturbado.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El objeto de la presente invención es aumentar la energía interna de un fluido con el objetivo de ejercer trabajo mecánico útil y, además, hacerlo a partir de fuentes de calor de baja temperatura, o mínimo diferencial con el invento, y sin intercambio químico con el entorno.

El proceso utiliza principios profusamente estudiados y conocidos en el arte. A modo de repaso, ellos son:

- Que los estados de agregación gaseosos tienen mayor entalpia que los líquidos. Por tanto un proceso de evaporación requiere calor de su entorno y un proceso de condensación rechaza calor a su entorno.

- Que la tasa de transferencia de calor es en función del diferencial de temperatura (Ley de Enfriamiento de Newton)

- Qué los fluidos se expanden y contraen en función de la temperatura, con la notable excepción del agua, por debajo de 3.8°C.

- Qué existe una correspondencia entre temperatura- presión-volumen específico y estado de agregación de la materia. ( Teorema de los Estados Correspondientes, Van del Waals)

- Que los procesos de cambio de estado son isotérmicos.

De estos principios surge que el proceso no puede ser un aumento del calor sensible (calentamiento) porque el aumento de la energía interna quedaría limitado al producto del calor específico del fluido por la masa por la diferencia de temperatura y ésta, por definición, es acotada, haciendo inviable o poco útil la implementación . El proceso tiene que ser un aumento de energía interna por calor latente (evaporación) pero la evaporación requiere calor, entonces la tasa de evaporación depende de la tasa de aporte de calor y la tasa de aporte de calor depende del diferencial de temperatura. Por tanto, entonces, surge que la tasa de evaporación depende de la diferencia de temperatura que, de nuevo, es acotado. De todo esto se desprende que una aplicación directa de estos principios hace inviable cualquier implementación en términos prácticos. La novedad del invento es resolver esta inviabilidad sin vulnerar los principios conocidos y verificados en el arte previo y regido por las leyes de la termodinámica.

El proceso objeto de la invención, entonces, es un método de optimización en eficacia y eficiencia, en un sistema termodinámico cerrado, de la propiedad de los líquidos de absorber calor al evaporarse. El invento deberá empujar y sobreponerse a las limitaciones impuestas, sin vulnerar leyes de la ciencia.

El primer enfoque es, entonces, provocar la evaporación por ebullición espontánea del fluido. De esta manera la tasa de evaporación no depende del calor aportado, sino del calor que pueda ser absorbido.

Por el Teorema de Estados Correspondientes, y los estudios asociados a éste de Van de Waals, sabemos que el estado de saturación de los fluidos tiene una directa correspondencia con su presión y su temperatura. Si aumentamos la temperatura, o reducimos la presión, de un líquido, éste tiene que evaporarse al no poder permanecer en estado líquido. Esto es lo que se llama ebullición espontánea. Aún así, por el trabajo de James Thomson, sabemos que el líquido puede entrar en un metaestado de sobrecalentamiento pero superado el límite espinodal que predijo Van der Waals sucede la ebullición y es repentina y, entonces, se llama "súbita".

La ebullición espontánea por reducción de presión es adiabática, por tanto no aumenta la energía interna. Como el objetivo es aumentar la energía interna se desarrolla una evaporación espontánea por aumento de temperatura.

El líquido está confinado a un sistema cerrado, de modo que si el aporte de calor fuera gradual tanto si evapora, como si expande el fluido, estos aumentan la presión en la misma medida que aumenta el calor y no entra en ebullición.

Por tanto el líquido tiene que ser sometido a un aporte intensivo de calor. Cuando el calor es lo suficientemente intenso su incidencia en las moléculas del fluido provoca su evaporación sin elevar la temperatura del sistema, que se mantiene constante. La fuente de calor deberá poder asegurar que el fluido siendo incidido pueda superar la temperatura de máximo sobrecalentamiento y deberá poder mantener el flujo de calor necesario correspondiente a la tasa de evaporación. De lo contrario la superficie caliente se enfría y el proceso se interrumpe. Este flujo de calor es proporcional a la diferencia de temperatura entre la fuente y la temperatura del fluido de trabajo.

El primer paso de optimización puede ser, entonces, mejorar el diferencial de temperatura entre la fuente y el fluido de trabajo. Esto se logra al provocar una ebullición espontánea por reducción de presión antes de la del aporte de calor intenso. Esta ebullición es adiabática, pero la reducción de presión lo deja en un estado de sobrecalentamiento excesivo y resulta en una ebullición espontánea. Parte del fluido se evapora en forma de burbujas -llamadas "núcleos"- en el seno del líquido y el calor necesario para esta evaporación es absorbido del líquido en su entorno. Esto una "ebullición nuclear homogénea" y es un proceso de autorrefrigeración . El fluido termina "nucleado" y a una temperatura menor y hasta muy menor a la inicial, sin haber rechazado calor. El fluido así enfriado puede resultar mucho más frío aún que el entorno -por lo que no podría haberse enfriado por ley de Newton- y esto aumenta el diferencial de temperatura que puede asegurar el éxito de la etapa de aporte de calor intenso. Esta optimización puede utilizarse no sólo para ampliar el diferencial, sino también para crearlo.

Con la ebullición espontánea por aporte de calor intenso termina la captura o cosecha de calor del proceso, aunque se extiende en la primera etapa de las de equilibrio. Estas etapas de equilibrio son parte del proceso reivindicado.

La evaporación es un proceso isotérmico, pero no isobárico. La ebullición de las etapas de cosecha de calor genera vapor que se acumula en un volumen finito. Esto implica un aumento de la presión interna del sistema. Este vapor está a la misma temperatura que el resto del sistema. El aumento de presión sobre el vapor es una forma de subenfriamiento. Eventualmente el aumento de presión hace exceder al vapor su máximo subenfriamiento y se condensa espontáneamente. El calor de rechazo de esta condensación aumenta la temperatura del vapor y éste, al quedar más caliente que el liquido subyacente lo calienta. Esta etapa supone la doble condición de liquido excesivamente sobrecalentado evaporándose al tiempo que genera vapor excesivamente subenfriado condensándose. Esto es una etapa de equilibrio dinámico. La condensación es espontánea y cede calor aún estando a la misma temperatura que su entorno en un proceso contrario a la autorrefrigeración que, por analogía, puede llamarse "autocalentamiento" . El vapor que estaba en núcleos (burbujas) también está excesivamente subenfriado y se condensa rechazando calor directamente en el liquido. Eventualmente el fluido liquido queda demasiado caliente para mantener la diferencia de temperatura con la fuente de calor y se termina la etapa de evaporación, y por tanto la cosecha intensiva de calor del proceso reivindicado.

La siguiente etapa combina el liquido en contacto directo con la fuente de calor que ya no logra evaporarlo y vapor aún en exceso de subenfriamiento. Ambas fuentes resultan en el aumento de temperatura del liquido que resulta en su expansión lo que comprime el vapor retroalimentando su excesivo subenfriamiento, que resulta en condensación espontánea, que calienta el liquido, y asi hasta el equilibrio. El equilibrio, dependiendo del calor absorbido, volumen, y masa, puede ser un fluido saturado, fluido supercritico, o sus intermedios, gas o liquido comprimible. La calidad del fluido supercritico depende mucho de la variación de volumen en la ebullición espontáneo por descenso de presión, que aportó volumen ya que la densidad es un valor importante y ésta es la cantidad de masa por unidad de volumen .

Esta última etapa puede terminar con el fluido de trabajo más caliente que su fuente original de calor y comenzarla a rechazar calor a favor de la fuente. En esta etapa comienza la eyección del fluido de la cámara o "celda de carga", terminando el proceso reivindicado.

Este proceso se ve potenciado si el fluido está en su condición de saturado y su carga se hace con cuidado de no afectarlo. Si no estuviera saturado, hay un tránsito de calor que sólo va a lograr su saturación y esto resulta en una ineficiencia, aunque no impide el funcionamiento. Si se va a aceptar que no esté saturado, habrá que relevar sus condiciones para adecuar las demás variables.

Las etapas, por tanto, son:

- Acondicionamiento / Relevamiento (a saturación)

- Inyección (entrada en cámara de carga, sin afectar)

- Nucleación y Autoenfriado (Con ca das de presión que pueden igualar a cero, si no se entiende necesaria la etapa)

- Evaporación Súbita por ebullición espontánea.

- Evaporación / Condensación (equilibrio dinámico) - Expansión / Condensación

- Eyección o Expulsión

El control de estos procesos puede expresarse gráficamente como se muestra en las figuras la y Ib con gráficos P = f(T) , en los que se muestran las curvas de saturación y los límites de sobrecalentamiento y subenfriamiento para los fluidos de trabajo R410A y R744-C0 ₂ , que serán descripto más adelante.

En dichas figuras la y Ib, la línea de color azul marino corresponde a la línea de saturación, o presión de vapor para cada temperatura. La línea azul más clara, a su derecha, representa el umbral de sobrecalentamiento necesario para producir la evaporación espontánea. La línea turquesa, a la izquierda y arriba, representa el umbral de subenfriamiento para producir la condensación espontánea. Este gráfico junto a las líneas límite de los valores críticos muestra las áreas de interés a este invento.

Las líneas de valores críticos (presión y temperatura) se cruzan en el Punto Crítico y definen cuatro cuadrantes. El cuadrante superior derecho es el cuadrante de los valores supercríticos , y el fluido puede estar en un único estado posible de "fluido supercrítico" . El cuadrante por debajo de este, por debajo de la presión crítica, pero a la derecha de la temperatura crítica está el cuadrante del "vapor sobrecalentado", que en este estado llamamos "gas". El cuadrante por encima de la presión crítica, pero a la izquierda, debajo de la temperatura crítica es el cuadrante del líquido compresible.

El cuadrante inferior izquierdo de valores subcríticos tanto en presión como temperatura es el cuadrante bifásico porque en él se encuentra el fluido tanto en fase líquida como vapor. El límite entre estas fases es la curva de saturación antedicha. A sus lados están las líneas de máximo sobrecalentamiento y subenfriamiento. Por tanto entre los dos límites está el "área de coexistencia" donde el fluido puede estar en fase vapor o fase líquida. Por encima de la línea de máximo subenfriamiento sólo puede estar en fase líquida y a la derecha del máximo sobrecalentamiento sólo puede estar en fase vapor. Si algún volumen de fluido se encuentra líquido más allá del máximo sobrecalentamiento o en fase vapor más allá del límite de subenfriamiento se produce un cambio de estado espontáneo, que es el aprovechado por el invento .

Estos cambios de estado espontáneos pueden provocarse variando la presión o la temperatura -o las dos- de modo de dejar el fluido en el área del gráfico deseado. Desde la línea de azul, una isóbara (horizontal) hacia la derecha corresponde a una evaporación por aporte de calor y hacia la izquierda una condensación por extracción de calor. Desde la línea de saturación una isoterma (vertical) hacia abajo corresponde a una evaporación por reducción de presión "aporte de volumen" y hacia arriba a una condensación por aumento de presión, o "extracción de volumen".

Los gráficos incluyen líneas de referencia que marcan los valores de la presión y temperatura críticas, que se cruzan en el punto crítico, que es también es el extremo de la línea de saturación.

La figura 'la' corresponde al estudio para el R410A. La figura 'Ib' representa los valores para el R744-C0 ₂ ·

La presente invención hace uso de uno o más de estos mecanismos, repetidos o no, secuenciadas o combinadas entre sí, para administrar o multiplicar su efecto según sea el objeto final de la implementación y los recursos disponibles.

Fluido de trabaj o .

La selección de fluido de trabajo es una variable crítica para la eficacia del diseño de las diferentes realizaciones de la invención. Dependiendo de la complejidad y requerimientos de la solución a proporcionar, el fluido de trabajo puede ser un fluido puro, una mezcla azeotrópica, una mezcla "zeotrópica" (modernismo para no-azeotrópico, ISO 817), o una disolución.

Los fluidos puros y los azeotrópicos son constantes, invariables y permanentes. Las mezclas zeotrópicas y las disoluciones permiten posibilidades que resultan muy interesantes a los efectos de la implementación del invento ya que permiten optimizar su desempeño y su capacidad de adaptarse a las condiciones imperantes.

Las mezclas zeotrópicas pueden resultar de la mezcla de fluidos de propiedades distantes para la optimización de las combinaciones de cambio de fase. Si se seleccionan fluidos con un deslizamiento importante de temperatura (" temperature glide") permite beneficiarse de la acción de cada fluido en las diferentes partes del circuito donde se implementa el invento. El deslizamiento puede superar la diferencia de temperatura de la realización, de modo que uno de los componentes sirva como agente de presurización mediante su evaporación y el otro como agente de transporte de energía, por ejemplo, en modo de energía cinética o calor, manteniéndose líquido, en la etapa de expresarse como trabajo motor .

Las disoluciones permiten mejorar las propiedades termodinámicas del fluido de trabajo. Si la disolución se puede variar, se pueden ajustar a demanda las propiedades termodinámicas a las condiciones de funcionamiento del momento, optimizando su rendimiento.

El fluido de trabajo también puede estar mezclado o combinado de alguna manera con otros fluidos con una función ajena al invento, pero útiles o necesarios para el circuito considerado en su totalidad, como pueden ser lubricantes, sellantes, detectores de fuga, etc. en la medida que no afecte las propiedades aprovechadas por el invento.

Cualquier fluido con la capacidad de cambiar de estado de agregación y llegar a un equilibrio dinámico liquido- vapor, estable o metaestable en un envase, existente y conocido en el arte, o por descubrirse o sintetizarse es una sustitución obvia.

En el modo de realización más simple de la invención el fluido de trabajo es un fluido monocomponente o mezcla azeotrópica que es capaz de completar todo el circuito: desde un liquido saturado, luego pasar por las etapas de cambio de estado súbito con incorporación de calor para finalmente generar el impulso mecánico.

En la realización de los ejemplos de la presente invención se han elegido dos tipos de fluidos de trabajo: R744 y R410A. El R744 es el dióxido de carbono, un fluido puro, y el R410a es una mezcla cuasi azeotrópica de dos gases HFC (hidrofluorocarbonados ) .

Proceso de la Invención

El proceso reivindicado es un proceso de conversión de calor en energía potencial. Este proceso tiene lugar en un dispositivo que forma parte de un circuito de captura de calor/trabaj o . De manera general, el proceso reivindicado consta de las siguientes etapas:

(a) Acondicionamiento/Relevamiento

(b) Inyección

(c) Nucleación y Autoenfriado

(d) Evaporación Súbita

(e) Evaporación/Condensación

(f) Expansión/Condensación

(g) Eyección o Expulsión

Las etapas de (a) a (g) descriptas antes representan distintos momentos del proceso reivindicado. Éstas se pueden llevar a cabo en un dispositivo con un único volumen que se adapta a las distintas etapas en curso ("proceso en lotes", o "batch") , o se puede implementar en un dispositivo que implementa varios volúmenes especializados en cada una de las etapas dispuestos en serie y el fluido de trabajo fluye de uno al siguiente para completar el proceso ("proceso continuo") . La descripción a continuación describe las etapas del proceso en un volumen con independencia de si el contenedor de la etapa es el mismo, o si es cada uno de los volúmenes de una serie.

Con más detalle, las etapas se describen de la siguiente manera :

(a) Acondicionamiento/Relevamiento

El proceso reivindicado parte del fluido de trabajo en estado líquido. La eficiencia del proceso es mayor cuanto más próximo esté el fluido a las condiciones de saturación.

Esta etapa, entonces, consiste en acondicionar el fluido de trabajo a las condiciones de saturación en términos de presión y temperatura. Puede ser implementado con intercambiadores de calor para calentar/enfriar y válvulas reductoras de presión o compresores para regular la presión, o dejándolo en reposo en un tanque de acopio en tamaño suficiente -de modo que el ingreso y salida de masa no sea un porcentaje relevante como para afectar el concepto "en reposo"- .

En su defecto, a falta de acondicionamiento y a la inversa, puede relevarse las condiciones a las que se encuentra el fluido de trabajo para adecuar las siguientes etapas .

Esta etapa podría no implementarse y aplicar las siguientes etapas con variables en exceso, pero siendo una opción, derrotarían el propósito de eficiencia de la invención .

En una realización más optimizada la implementación acondicionará el fluido de trabajo al punto de saturación de diseño y relevará el resultado para adecuar las etapas posteriores .

(b) Inyección

Esta etapa implica el tránsito del fluido de trabajo desde el tanque de acopio a la cámara de procesamiento y no involucra ninguno de los dos volúmenes. La etapa resulta en el fluido de trabajo puesto en la cámara para su procesamiento. Este fluido se toma desde la parte inferior del tanque acopio y no es bajo ningún concepto aspirado desde la cámara, sino que es inyectado. Este método asegura que se provee fluido en estado líquido, y no vapor, y no se evapora a instancias de la inyección. El fluido mantiene siempre al menos la presión de saturación.

La cámara de procesamiento o tiene una superficie que cede a la presión del fluido desde el reservorio o es el primer volumen de un dispositivo de procesamiento continuo. El diferencial de presión que asegura este tránsito, sin perjuicio de que pudiera haber algún tipo de impulsor, se da entre la presión del reservorio contra la parte exterior de la superficie que cede, en un proceso por lotes, o en una presión más baja del primer volumen en un procesamiento continuo, que si evapora el fluido, pero ya en el marco de la siguiente etapa.

(c) Nucleación y Autoenfriado

El fluido inyectado, en un proceso por lotes, o que está siendo inyectado, en un proceso continuo, se expone en forma súbita a un descenso de presión.

En el proceso por lotes, una vez aislado mecánicamente el volumen de fluido de trabajo a ser procesado del resto del circuito, es sometido a una rápida expansión mecánica del contenedor.

Esta pérdida de presión supone la expansión mecánica del liquido saturado y resulta en evaporaciones en puntos homogéneamente distribuidas en el seno de la masa. Estos puntos se llaman núcleos (de evaporación) . La ciencia conoce este fenómeno como "ebullición nuclear homogénea" y el fluido resulta en lo que se llama "fluido nucleado".

Este fenómeno, por su velocidad, resulta un proceso adiabático. Las burbujas toman el calor de evaporación desde el calor sensible del fluido liquido que las rodea. Puede ser potenciado con calor desde las superficies de contacto, pero es en esencia adiabático, porque la velocidad de conducción de calor del propio fluido es menor que la de formación de núcleos .

El liquido, ahora nucleado, resulta más frió por haber cedido calor sensible a la evaporación. Este proceso se conoce en la ciencia como "autorrefrigeración" . El liquido vuelve al equilibrio dinámico de saturación, ahora a menor temperatura .

La temperatura resultante de este proceso puede incluso ser muy inferior a la más fria disponible, por lo que no podría haberse logrado con cesión de calor según la Ley de Enfriamiento, de Isaac Newton. Esta característica permite aumentar, e incluso crear, un diferencial de temperatura donde no lo habla. Funcionar donde no habla o era reducido el diferencial de temperatura es uno de los objetivos del invento .

Esta etapa del proceso reivindicado reviste gran importancia en la eficiencia del proceso. La doble condición de más frío y nucleado genera diversos factores de potenciación para las siguientes etapas. Una temperatura más fría acelera la tasa de transferencia de calor en la siguiente etapa, ya que el tránsito a través de la superficie de contacto depende de la diferencia de temperatura, sin aumentar la temperatura de la fuente. Una temperatura de saturación más fría resulta en una diferencia de entalpia mayor entre la fase líquida y vapor (entalpia o calor de evaporación) que se ve gráficamente al estar más hacia la base de la campana del diagrama de Mollier ( P=f(R) ) . El líquido más frío tiene un límite de temperatura de sobrecalentamiento más bajo y el vapor tiene un límite de presión de subenfriamiento también más bajo.

El descenso de presión es equivalente a un aumento del volumen específico, o una reducción de la densidad. Esta densidad es la total del sistema y, entonces, la del fluido supercrítico, si es el objetivo de la implementación .

Específicamente, en una implementación por lotes se procesa una masa finita en un volumen finito. El descenso de presión se logra por aporte de volumen y esto define la densidad. Por tanto este aporte de volumen determina la calidad por densidad del fluido supercrítico.

La característica de fluido nucleado es importante en la siguiente etapa porque al momento de aumentar la presión se provoca la condensación de las burbujas y hace que oficien como núcleos de calor, potenciando en efecto de expansión de las siguientes etapas. Es menester cuidar en esta etapa que el fluido de trabajo no entre en un estado metaestable de presión negativa, o "liquido elongado/estirado" .

Aún con los evidentes beneficios que supone esta ca da de presión o aporte de volumen, ésta puede ser CERO, que se equivale a saltear la etapa, porque aún con su ausencia sigue siendo el mismo proceso.

(d) Evaporación Súbita

En esta etapa el fluido es sometido a un flujo de calor intenso por todas las superficies de contacto. La diferencia de temperatura debe ser al menos tal que la temperatura de la fuente supere la del máximo sobrecalentamiento del liquido del fluido de trabajo. Se preferirá que la diferencia de temperatura asegure un flujo de calor al menos tan importante como el del calor de evaporación porque, de lo contrario, la etapa terminará enfriando la superficie de contacto y, con ella la etapa en si .

En una implementación de procesamiento por lotes o pulsante se prefiere el calentamiento de las paredes laterales verticales. Esto establecerá un sistema de ebullición laminar, de funcionamiento estable, hasta la culminación de las condiciones de la etapa. El vapor del fluido producido se acumulará en la porción superior del volumen con el resto del vapor, lo que va aumentando la presión paulatinamente. Se prefiere que esta porción del volumen esté aislada térmicamente del entorno. En esta implementación esta etapa termina cuando se alcanza la presión de máximo subenfriamiento del vapor.

En una implementación continua esta aplicación de calor aumentará el titulo de vapor, pero el fluido bifásico continuará mezclado hacia el siguiente volumen.

(e) Evaporación/Condensación Esta etapa es la continuación lineal de la anterior. Esta etapa es el equilibrio dinámico entre la evaporación que surge de la ebullición laminar establecida en la etapa anterior con la condensación por exceso de subenfriamiento del vapor.

La ebullición es un proceso isotérmico, pero no isobárico. En la etapa anterior (d) , estando todo el fluido a la misma temperatura, la presión del sistema ha ido aumentando por efecto de la evaporación por ebullición. Este aumento de presión es subenfriamiento del vapor, por presión superior a la de saturación. Esta etapa comienza cuando la presión excede la presión límite de subenfriamiento del vapor .

Se establece el doble fenómeno concurrente: la evaporación por exceso de sobrecalentamiento del líquido en contacto con la superficie caliente y la condensación del vapor por exceso de subenfriamiento. Estos fenómenos quedan en equilibrio dinámico.

Esta etapa es en principio isotérmica, pero el calor de rechazo que surge de esta condensación, que se evita de disipe al entorno, eleva la temperatura del vapor, primero, y se vuelca en forma de calor sensible al líquido, que empieza a expandirse.

El líquido al calentarse va reduciendo su diferencia de temperatura con la fuente de calor y llega a un punto en que termina con la diferencia mínima necesaria para asegurar la evaporación súbita. Esto termina con el sistema de ebullición laminar y, con ésta, termina esta etapa.

( f) Expansión/Condensación

Terminada la etapa de evaporación, el volumen aún tiene un exceso de vapor, que empezó a condensarse al superar el máximo subenfriamiento y seguirá condensándose hasta lograr reducir la presión hasta alcanzar la presión de saturación . Esta condensación rechaza calor que, a falta de otro destino posible calienta el liquido. El liquido al calentarse reduce su densidad, aumentando su volumen. Este aumento de volumen, en un volumen finito, reduce el volumen disponible para el vapor, que se comprime, aumenta su presión y sigue condensándose .

Eventualmente, y si es deseado por diseño, se ingresará en la fase supercritica del fluido de trabajo. La densidad estará determinada por la cantidad de masa por unidad de volumen, que surge directamente en una implementación por lotes, y del caudal másico en un sistema continuo, y la presión final surge de la cantidad de calor absorbida por la evaporación en las etapas de ebullición laminar .

Aquí queda determinada la presión y fase o fases finales del proceso.

(g) Eyección o Expulsión

En esta última etapa del proceso el fluido de trabajo se encuentra a la presión de trabajo buscada por diseño. Idealmente es la misma presión que el destino, que es un acumulador isobárico.

Esto permite que cualquier diferencial de presión provoque el tránsito hacia afuera del fluido de trabajo, en expulsión, o eyección.

En una implementación por lotes, la superficie que cedió lugar al fluido en la inyección ahora lo expulsa al aportársele la diferencia de presión que pudiera estar disponible. En el caso de la implementación continua, el fluido entrante imprime un diferencial de presión que permite la eyección en idéntica cantidad a la entrante.

EJEMPLOS

Se construyen 2 prototipos como ejemplo, que permiten demostrar las etapas del proceso reivindicado y descripto en la sección "Proceso de la Invención", en el capítulo de "DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN".

El ejemplo 1 es una cámara simple, llamada "Cámara de Carga" o "Cámara de Procesamiento" y su objetivo es demostrar experimentalmente las etapas (d) , (e) y (f) .

El ejemplo 2 es una cámara idéntica a la del ejemplo 1 complementado con los accesorios necesarios para demostrar experimentalmente todas las etapas desde la (a) a la (g) . La cámara está dotada de un calentador eléctrico para acondicionar el fluido de trabajo, una válvula solenoide para provocar la nucleación y una válvula esférica que permite aislar el fluido acondicionado y nucleado para evaluar en las siguientes etapas.

Los ejemplos de realización que se describen en el capítulo de ejemplos se llevan a cabo usando como fluidos de trabajo el fluido denominado R744 y el R410A.

El fluido R410A es una mezcla cuasi azeotrópica de dos gases hidrofluorocarbonados : diflorometano (R-32) y pentafluoroetano (R-125) , ampliamente conocido en el arte por su uso como refrigerante en equipos de aire acondicionado y refrigeración. Se vende bajo las denominaciones comerciales como Forane 410a®, Puron®, EcoFluor R410®, Genetron R410A® y AZ-20®.

El fluido R744 es el dióxido de carbono (CCy) , un fluido puro, cuya característica esencial además de la alta eficiencia para el proceso de la invención, es que tiene un potencial de agotamiento del ozono (PAO) igual a cero y un potencial de calentamiento atmosférico (PCA) mínimo, en línea con las actuales exigencias ambientales.

Ejemplo 1. Prototipo de Cámara de Carga, o Procesamiento Se construye un prototipo de Cámara de Carga, o Cámara de Procesamiento para verificar las etapas (d) , (e) y (f) , del proceso reivindicado.

En la Figura 2a se presenta el esquema de este prototipo. Se construye un cilindro de cobre, con un inserto para termocupla, un capilar para lectura con manómetro y un acceso cerrado con válvula esférica.

Se utiliza R744 y, debido a las altas presiones de trabajo de este fluido, se decide mantener la experiencia en valores subcriticos.

El Prototipo se carga a 70% en volumen liquido a -5°C (268.15k), y se le permite llegar al equilibrio de saturación. Se lo sumerge en un baño de agua a 25°C durante

10 segundos.

En la figura 2b se detallan los resultados obtenidos, donde se pueden ver las etapas previstas, (d, e y f)

Ejemplo 2. Prototipo de las celdas de la invención

Se construye una celda de ejemplo que permite probar experimentalmente todas las etapas de la (a) a la (g) descriptos en la sección "Proceso de la Invención", en el capitulo de "DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN".

En la Figura 3a se presenta el esquema de una celda prototipo de la invención y se enumeran los elementos que comprende el diseño de la invención. Sobre dicha celda se han desarrollado las pruebas experimentales del proceso reivindicado .

Dicha celda prototipo es un dispositivo rígido constituido en torno una cámara de carga (200) cilindrica rígida, de cobre, donde tiene lugar todo el proceso reivindicado . La cámara de carga (200) está encamisada en el eje longitudinal del segundo recipiente (100), también de cobre, cuyas respectivas tapas que abrazan a la cámara (200) justo donde se recocinan en la soldadura, para reforzarlo. Este segundo recipiente es donde se produce la inyección de agua caliente (100). Tiene una válvula inferior de desagote, un tubo superior de alivio de la presión del aire durante la carga. El agua caliente, que es admitida a través de una válvula esférica (104), proviene de un depósito (102) de gran capacidad, con una resistencia eléctrica (103) para calentamiento del agua contenida en (102), cuya temperatura es controlada con la termocupla (106).

A través de la tapa inferior de la cámara (200) se insertó un calentador eléctrico (201). En un inserto lateral se instaló un tubo para una termocupla (202) , y un capilar para la toma de presión conectado al manómetro (203) . En la parte superior de la cámara (200) se encuentra la válvula esférica (204) define dos volúmenes constantes para la cámara (200), limitándolo a una mitad inferior cuando se cierra. Por encima de la válvula (204) se extiende un tubo hasta un codo de 90° que posiciona al tubo horizontalmente y permite una mejor operación de la válvula (205) operada por solenoide, que abre un escape hacia un volumen hermético externo a la celda y de tamaño relativo suficiente para que represente un volumen "infinito" respecto del volumen de la celda. En el acodamiento del tubo hay una válvula de acceso (206) para la carga del fluido de trabajo.

Todas las válvulas son operadas por actuadores magnéticos o neumáticos que son administrados por un tablero de temporizadores programables .

Ensayo

Las etapas del procedimiento del ensayo se ejecutan mediante automatismo de pasos secuenciales programados en un PLC . a) Se carga la cámara (200) de la invención con 91g de R410a. La fase líquida representa 60% en volumen, 96% en masa, a 25°C, a 225 PSIg.

b) Se cierra la válvula (104).

c) Se carga un volumen de agua en el reservorio presurizable (102), equivalente a la capacidad del recipiente envolvente (100) que rodea completamente a la cámara (200) .

d) Se ingresa en el reservorio (102) la cantidad necesaria de nitrógeno gas para presurizar el volumen de agua contenido en (102) y se ajusta el tapón de acceso (101) .

e) Se calienta el volumen de agua encerrado en (102) con la resistencia (103) hasta alcanzar la temperatura de trabajo de 90°C. Se apaga la resistencia (103) f) Se mantiene cerrada la válvula (205) , y permanece abierta la válvula (204).

g) Se calienta con la resistencia (201) el fluido de trabajo contenido en la cámara (200) para alcanzar la temperatura inicial de trabajo (To) del fluido R410a y se fija convenientemente que dicha temperatura inicial del fluido de trabajo sea de 45°C; temperatura que produce el mejor resultado final en el fluido. A 45°C en los 91 g de carga inicial el líquido de R410a representa ahora el 66% del volumen y el 94% de la masa, a 384 PSIg.

h) Se apaga la resistencia (201).

Alcanzado este momento del procedimiento se continuó con los pasos siguientes con preciso control temporal secuencial a través del dispositivo PLC .

i) Se activa la adquisición y el registro de datos en un computador j) Se despresuriza la cámara (200) mediante la apertura de la válvula (205) durante 1/10 de segundo, para permitir la salida de los vapores acumulados en la parte superior de (200) .

k) Durante 1 segundo posterior se espera para permitir que el fluido alcance su equilibrio a su nueva temperatura del fluido ahora nucleado, de 42°C. l) En el siguiente segundo, se cierra la válvula (204) dejando atrapado en la cámara (200) el fluido a 42°C con un 3% de vapor en forma de núcleos de vapor homogéneamente distribuidos en fluido. El remanente del fluido entre la válvula (204) y la válvula (205) se ignora.

m) Se abre la válvula (104) permitiendo que toda el agua calentada del recipiente (102) pase súbitamente impulsada al recipiente (100) a la que entra por el orificio tangencial (105) generando un torbellino alrededor de las paredes de la cámara (200) hasta completarlo. De esta etapa resulta una calda de temperatura del agua ingresada en (100) hasta 80°C, al calentar las paredes exteriores de la cámara (200) .

La diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la pared de la cámara (200) es lo que provoca la evaporación súbita, característica principal del resultado del proceso de la invención.

El trabajo útil a partir de este proceso es extraible cuando se expanda el fluido luego de haber alcanzado el estado supercritico ; esto es, por ejemplo, pero sin ser limitativo, una expansión que actúe sobre un pistón o cualquier otro dispositivo capaz de capturar la energía potencial desarrollada en la expansión producida por la presión, a energía cinética. Los gráficos presentados en las figuras 3b, 3c, 3d y 3e explican también el proceso del ensayo anterior.

Figuras 3b y 3d

En la figura 3b se presentan las variables relevantes del proceso reivindicado. El gráfico es comparativo entre Temperatura (°C xlO), Presión (PSIg) , Porcentaje de la Masa Total de Fluido en Vapor (%M x2000 +500) , Porcentaje del Volumen Total en Vapor (%V x800 +500) , todo en función de "puntos de muestreo" determinados secuencialmente a razón de 40 por segundo (40Hz) . Se comparan en escala relativa porque lo que se pretende mostrar es su tendencia más que su valor absoluto. La linea rosa corresponde a la temperatura, la azul a la presión, la verde al porcentaje de Masa y la linea naranja al porcentaje de volumen. Éstas dos últimas desaparecen al llegar a cero (500, en el gráfico) cuando el fluido de trabajo entra en estado de "fluido compresible" y luego en estado de "fluido supercritico" .

En el gráfico de la figura 3c se muestra un detalle de la primera mitad del gráfico 3b, en escala más expandida .—Se agregan dos isotermas y tres referencias. Las isotermas se corresponden a la temperatura inicial de equilibrio, y la nueva isoterma luego de la nucleación debido al descenso súbito de presión ( líneas continuas horizontales en color amarillo) . Las lineas de referencia son los valores críticos de presión y temperatura ( líneas punteadas horizontales color azul y magenta) y, en línea punteada color verde el cero (0%) de los porcentajes músicos y volumétricos.

En el gráfico 3d, idéntico a 3c, se le agregan referencias verticales que permite distinguir las distintas etapas del proceso descriptas anteriormente.

Con la despresurización (paso 'j') ( linea continua azul , figuras de la serie 3) , se ve una calda de lOOpsi en una décima de segundo y la recuperación de presión en dos décimas, pero equilibrándose 2,4K más frió ( linea continua magenta , figuras de la serie 3) , lo que evidencia que hubo una evaporación adiabática característica de este tipo de evaporación súbita. La extracción de vapor está evidenciada en la ca da de Presión y en el Porcentaje de Masa de Vapor y la posterior recuperación de ambos con una nueva temperatura de equilibrio, más baja.

Dos segundos después de recuperado el equilibrio llega el corte de volumen (paso '1' ) y se distingue un abrupto descenso en los porcentajes de Masa y Volumen del vapor que se corresponde a la división del volumen de la cámara del fluido de trabajo. Los porcentajes de vapor descienden drásticamente líneas continua verde y naranja , figuras de la serie 3) como era previsible al dejar fuera el cuello de la cámara con el volumen de vapor donde, teniendo en cuenta que conservamos el 55% inferior del volumen, su valor mayor a cero evidencian que el vapor se encuentra en burbujas en el seno del fluido y no encima del mismo de lo contrario el vapor hubiera quedado todo en la parte del volumen excluida de la cámara del fluido de trabajo.

Tres segundos después se inyecta el agua caliente (paso 'm' ) que llega 6 décimas más tarde. Al ir aumentando la presión el porcentaje de vapor se va reduciendo conforme el fluido va llegando al estado de fluido compresible. Al llegar a este estado, representado cuando la linea de presión cruza el valor critico, la cantidad de vapor se vuelve cero. Esto está representado en el gráfico 3d con la primera referencia vertical roja. Al ir aumentando la temperatura, cuando cruza su valor critico, nueva referencia vertical roja, entra en la tercera parte de interés del gráfico 3d: fluido de fase supercritica .

En resumen luego de un prolongado equilibrio, se produce una calda de presión con recuperación, más frió, un aporte de calor que eleva rápidamente la presión y temperatura y una tercera etapa de estabilización, ya dentro de un fluido supercrítico .

Resumiendo el ciclo descripto hasta ahora.

Se observa en las figuras 3b, 3c y 3d que la presión está en equilibrio, cae abruptamente con la despresurización, se recupera a un nuevo equilibrio de P y T más bajo, se dispara con la evaporación súbita y la ebullición laminar, crece más moderadamente con la evaporación/condensación y aún más moderadamente durante la expansión térmica hasta que convierte el fluido de trabajo en compresible donde absorbe todo el calor como calor sensible y vuelve a aumentar su ritmo, hasta alcanzar el estado de supercritico .

Se alcanza un equilibrio térmico en 87°C, por encima de los 80°C del agua. Esto indica que el fluido absorbió más calor del que necesita para estar en esa densidad, que es constante al ser tanto el volumen como la masa fija, a la temperatura del agua de la cámara (100) .

Los porcentajes de vapor están en equilibrio. Caen abruptamente durante su extracción, recupera su volumen, más no su masa luego de la represurización y vuelven a alcanzar el equilibrio. Con el corte de volumen caen abruptamente, pero no a cero. Esta ca da es esperable porque queda fuera del volumen en consideración el cuello de la cámara con todo el vapor que estaba en equilibrio dinámico. El hecho de que los vapores no hayan ca do a cero indica que están presentes burbujas en el seno del fluido de trabajo. El vapor actúa en favor de la presurización . Para dicho aumento de presión, el poco vapor evaporado es un factor clave para la consideración de la eficiencia del procedimiento reivindicado. Conforme sigue aumentando la presión el volumen y masa de vapor va desapareciendo hasta que el fluido liquido ocupa todo el volumen como "fluido comprimible", que los porcentajes llegan a cero (Fig. 3d, líneas continuas verde y naranja) .

Figura 3e

La figura 3e concurre a explicar el ciclo descripto anterior pero ahora expresado en forma cronológica en un gráfico P = f (T) de un ciclo de carga de calor en el fluido de trabajo a partir de la fuente de calor, que en nuestro Ejemplo 1 es el agua caliente del recipiente (100), y de la descompresión que ocurre dentro de la cámara (200) . En efecto, el gráfico de la Figura 3e se ha dividido en cuatro cuadrantes correspondientes al estado de la materia fluida. El cuadrante inferior izquierdo es el cuadrante que muestra la evolución del fluido bifásico hasta su punto crítico, en el cual se ha fijado el origen de coordenadas (T, P) _crít de los ejes del cuadrante. La línea continua azul oscuro corresponde a la curva de saturación donde el fluido coexiste en dos estados de agregación, donde usualmente se encuentra en equilibrio .

Los otros tres cuadrantes son cuadrantes de fases únicas. El cuadrante superior derecho corresponde al cuadrante del "fluido supercrítico" . El superior izquierdo es corresponde al "fluido compresible", que se comporta como un líquido, pero es compresible y se mantiene en estado líquido, con independencia de su temperatura. El inferior derecho es el cuadrante que corresponde al "vapor sobrecalentado" o "gas", porque ya no se condensa, con independencia de la presión aplicada.

La linea continua celeste es el recorrido de los puntos de los estados del fluido de trabajo capturados por la termocupla (202) y el manómetro (203) con una frecuencia de muestreo de 40 puntos por segundo transmitidos por la interfase apropiada a la computadora, durante el ciclo de carga de calor del fluido de trabajo a partir de la inyección de agua caliente en el recipiente (100). Dicho recorrido se inicia con una caída de presión y descenso de temperatura (301) al abrir la válvula solenoide (205), seguido de una recuperación de los valores de T y P al estado de equilibrio bifásico en la línea de saturación (302) . Luego de unos pocos segundos ocurre una presuri zación cuasi-isotérmica (303) que corresponde a un cambio de estado súbito. Luego el recorrido sigue una trayectoria cuasi-parabólica (304) que lleva al sistema del fluido hasta el cuadrante de supercriticidad pasando por el estado de "fluido comprimible" (305) . Ya en el cuadrante de supercriticidad se alcanza un valor máximo de temperatura (306) y luego un tramo de trayectoria en equilibrio de presión con caída de temperatura (307) . Hasta aquí el gráfico corresponde al proceso reivindicado en la presente invención. A los efectos de la misma queda demostrado que a través del proceso de la invención se genera y acumula energía potencial en la forma de presión acumulada o contenida en la cámara (200) . La diferencia de presión entre los puntos (307a) y (307b) corresponde al valor de trabajo útil que es sistema es capaz de realizar sobre el ambiente, y que es el resultado buscado en el proceso reivindicado.

También a los efectos del presente ensayo, luego de alcanzar el valor de presión (307a) se permitió la despresurización de la cámara (200) ; esto se muestra en la caída isotérmica cuasi-instantánea vertical (308) , para llegar nuevamente al equilibrio bifásico y comenzar un nuevo ciclo de carga, repetitivo y subsecuente del anterior.

Más adelante, en el Ejemplo 3 se describe un dispositivo en funcionamiento en concordancia con el procedimiento previamente descripto. Ejemplo 3. Balance de Energía

Teniendo en cuenta que la celda de la invención desarrolla transformaciones de energía, el ciclo donde ella funcione debe cumplir con las leyes de conservación de un sistema no conservativo. El ejemplo 3, en dos versiones A y B, se agrega para demostrar que dicho requisito se cumple. Subsidiariamente es posible calcular un valor de eficiencia.

Para considerar la conservación de las transformaciones de energía en todo un ciclo es necesario considerar los aportes de energía que se originan desde afuera hacia dentro de la celda de la invención y el trabajo mecánico que se genera hacia afuera de dicha celda. Se asumió que la fuente de calor que proporciona la energía fluye y está disponible en forma constante a una temperatura constante o más o menos contante en un rango estrecho. Una fuente de calor constante a temperatura constante permite realizaciones estables de absorción de calor o "cosecha" de calor. Con la expresión "cosecha de calor", tal como se usa en la presente invención, debe entenderse el calor extraido desde el medio, considerado como un sistema cerrado o abierto, que es absorbido por el circuito frigorífico donde se encuentra el fluido de trabajo que utilizará el invento.

Para los cálculos energéticos se tuvo en cuenta los valores específicos, es decir, referidas a la unidad de masa. Todos los valores se refieren a lKg de fluido de trabajo con independencia de si ello supone distintas velocidades en cada componente para procesar una unidad de masa por unidad de tiempo .

A los efectos de la presente invención, hemos denominado a estas aplicaciones por sus nombres característicos y con ellas se estudia el Balance de energía y el cumplimiento de las leyes generales de conservación de energía. A. Unidad de Recuperación del calor residual en un sistema frigorífico central, como el que se equiparía un supermercado, y

B. Sistema de generación eléctrica a partir del calor atmosférico. Ambos son implementaciones válidas y posibles que caen en el alcance de la invención. Se complementa la explicación con un detalle gráfico en la serie de figuras 4.

Ambas implementaciones tienen características similares, como ser la fuente una fuente inagotable de calor, en términos prácticos, a temperatura estable. Fuentes variables en su temperatura, o disponibilidad de calor, o progresivo, como un almacenamiento de calor que se va enfriando no impiden el aprovechamiento del invento pero requiere de previsiones que exceden las pretensiones de esta memoria. Se prefiere una fuente regular e inagotable.

Ambos ejemplos implementan el invento en un circuito frigorífico específico para el invento donde el evaporador cosecha el calor en la fuente y el condensador se equivale a la cámara 100 de la figura 3a. Se incluye un diagrama de este circuito como la figura 4a. El invento podría estar en una vía paralela entre dos entre el tanque de acopio y el evaporador, siendo la otra una vía desde el tanque de acopio al evaporador pasando por una válvula de expansión (como vía exclusiva de cosecha de calor, no dibujada) pero, en los ejemplos es la vía única, por lo que está en serie a continuación del tanque de acopio y antes del motor. El condensador es la cámara 100, por lo que está a continuación del compresor y antes del tanque de acopio. Ambos ejemplos utilizan la "implementación posible" de la celda de carga detallada en la serie de figuras 5 para utilizar el proceso reivindicado . La variación entre los ejemplos es el fluido de trabajo. En el primero se utiliza R410a y en el segundo R744-C0 ₂ .

En estos ejemplos se utilizan tres series de etiquetas para distinguir las etapas. Estas son numérica de 1 a 4, como se acostumbra para un ciclo frigorífico estándar en el que se basa el invento, dibujado en un gráfico de Mollier, una serie alfabética mayúscula A-D, para la el ciclo P=/(V) del motor y un ciclo alfabético minúscula (a) - (d) para el ciclo entálpico del fluido de trabajo afectado al proceso objeto de la invención, también detallado en el mismo gráfico de Mollier.

A. Unidad de Recuperación de Calor Residual en un Sistema Frigorífico Central

Una unidad de Recuperación de Calor Residual en un Sistema Frigorífico comprende esencialmente tres partes: (1) compresores, (2) radiadores de calor, y (3) un contendor adiabático que contiene un volumen de agua apropiado. Los componentes (1) y (2) son los ampliamente conocidos en arte frigorífico, pero la adición del componente (3) interpuesto entre (1) y (2) es el que convierte a estas Unidades Frigoríficas en novedosas, sorprendentes y no conocidas en el arte previo: las dota de la capacidad de recuperar el calor residual, normalmente liberado al ambiente (Diagrama 1, que es el esquema de un clásico sistema de refriqeración conocido en el arte) , para transformarlo mediante el proceso de la invención en trabajo útil (Diaqrama 2, que es el esquema de un sistema de refriqeración que incluye el proceso de la invención) y asi reciclarse en otros procesos mecánicos.

En efecto, el volumen de agua del contenedor (3) en el diagrama 2 se usa como medio de intercambio/cesión de calor desde el circuito principal del Sistema Frigorífico Central (1) hacia el circuito frigorífico base donde se implementa el invento .

En la realización del diagrama 2, el vapor caliente de la descarga de los compresores (1) se circula, a través de un circuito apropiado, por ejemplo, pero no limitado a, un serpentín, una cañería, un recipiente de forma variada, etc, hacia el recipiente (3) que contiene el volumen de agua que se usa ahora como transportador de calor.

Para asegurar el funcionamiento de este tipo de circuitos recuperadores, la condición de temperatura que debe cumplir el agua del contenedor (3) es que debe encontrarse en el rango donde ella es lo suficientemente fría para condensar el vapor de la descarga de los compresores y lo suficientemente caliente como para evaporar el fluido de trabajo del ciclo frigorífico que implementa el invento (4). La temperatura del agua de intercambio de calor en este ejemplo está en el rango entre 32°C y 38°C. Por debajo de este rango el agua perdería la capacidad de evaporar el fluido de trabajo en (4) -que se detendría- y, por encima de esa franja, perdería la capacidad de condensar la descarga de los compresores (1) .

El sistema del ejemplo del diagrama 2 está configurado como dos circuitos independientes (1) y (4) , estancos, pero térmicamente interconectados a través de un volumen de agua de transferencia de calor (3) . El circuito de refrigeración (1) condensa su fluido de trabajo liberando calor en el agua (3) por medio, por ejemplo pero no limitativo, de un serpentín sumergido, y el circuito del invento (4) que actúa como recuperador de energía lo cosecha de (3) evaporando así el fluido de trabajo que contiene para luego aumentar su presión en la cámara 200 como se describió antes bajo el título "Figura 3e" .

Con el circuito frigorífico descripto anteriormente que incluye la cámara de recuperación de energía (4) , que es en esencia el método de la invención, se realizó el balance energético cuyos valores experimentales se muestran en detalle más adelante en la Tabla 1.

Dicho análisis energético, empero, divide el sistema único del circuito en varios subsistemas, que se esquematizan en el Diagrama 3.

Los intercambios de calor y masa entre subsistemas que componen el circuito frigorífico base de la invención se agrupan como "intercambios internos" y los intercambio de calor o trabajo con el ambiente se consideran "intercambios externos" .

Descripción de las etapas del cálculo de balance energético representado en la Tabla 1.

• Etapa de Arranque : Esta etapa sólo tiene lugar al momento de poner en funcionamiento el sistema de recuperación. El fluido se supone en equilibrio dinámico a la temperatura ambiente. Esta etapa implica la evaporación de todo el fluido que pudiera estar líquido porque el inicio de la primera etapa de las etapas del ciclo supone toda la masa en estado de vapor. El calor aquí transferido lo es "en cantidad suficiente" y no es objeto de este balance.

• Etapa 1 : Es la primera etapa del ciclo. El fluido ingresa completamente evaporado, correspondiéndose al punto 1 del gráfico de Mollier (Figura 4b) . El vapor es comprimido a instancias del trabajo externo provisto en forma de electricidad ("trabajo externo") alcanzándose el punto 2 de la gráfica de Mollier, que es el punto del fluido de trabajo en el cual alcanza su mayor valor de Energía Interna. El fluido entra en la etapa de condensado, pero sin subenfriarse, cediendo su energía en forma de calor de condensación a la Etapa 2 siguiente como calor ("calor interno") y como trabajo ("trabajo interno"), empujando el pistón del invento, en la siguiente etapa. Este punto final se corresponde al punto 3' de la gráfica de Mollier de la Figura 4b. Este trabajo interno que resulta del calor de condensación se transmite a través de la corona de levas del invento actuando como palanca y el acumulador neumático como medio hidráulico directamente al motor. La pérdida de energía en la rotación de la corona de levas es sólo la de la fricción y la extensión de los resortes ya que el líquido expulsado se encuentra a la misma presión que el líquido exterior que, a su vez, mantiene presión constante por el acumulador hidráulico. Etapa 2 (Invención) : Esta etapa corresponde al invento tal como se reivindica, es la invención propiamente dicha. El fluido entra en la cámara (que sería la cámara 200 de la figura 3a, pero implementada como se detalla en figura 5a) empujando el pistón (con el trabajo ejercido detallado al final de la etapa anterior) . Este trabajo que empuja el pistón hace girar la corona de levas, estira los resortes de despresurización y se transmite a los pistones en la etapa final para expulsar el fluido de éstos. Por tanto el trabajo no cambia la energía interna del fluido, sino que se transmite a través del invento para expulsar el fluido al final sin modificarlo en ningún momento.

El fluido en el invento es entonces sometido a una súbita despresurización por "aporte de volumen" al bajar súbitamente el pistón y expone el fluido a las paredes que han sido calentadas por el calor de condensación cedido al baño marra (cámara 100, de la figura 3a) del invento por la condensación en la etapa anterior. Estas son las subetapas de "Nucleación" y "Evaporación Súbita". Esta evaporación súbita, y su consiguiente condensación simultánea termina donando calor al fluido que no se evaporó, y se expande, comprimiendo todo el fluido. El fluido llega a su máxima expresión de temperatura y presión, pasando a la siguiente etapa. Esta etapa de presurización a partir del calor del baño marra también colabora con el giro de la corona de levas y estiramiento de los resortes por lo que estas dos cargas pueden despreciarse en el balance estudiado.

• Etapa 3 (Acumulador Isobárico) : El fluido se encuentra en el cilindro del invento a la misma presión y temperatura que el acumulador isobárico. Es expulsado de éste por el fluido de trabajo que entra al mismo tiempo en los otros cilindros (que se encuentren en la etapa anterior) . Este acumulador tiene por objeto absorber fluctuaciones de flujo y no cambia de modo alguno el estado del fluido de trabajo que sigue al motor. Mantiene la presión constante. Absorbe el trabajo impreso al final de la etapa 1 comprimiendo la vejiga y lo devuelve al habilitarse la carga en el motor descomprimiendo la vejiga para cargar el pistón, de la siguiente etapa.

• Etapa 4 (Motor) : El fluido absorbe el trabajo impreso al final de la etapa 1 y empuja el pistón mientras carga. Al llegar a la carga cierra la admisión y comienza una expansión isotérmica. Luego abre la válvula de descarga. El fluido ve reducida su energía interna y se refleja pérdida de presión y temperatura y condensación. Esta etapa realiza el trabajo externo. Gráfica P=f(V) del motor para ejemplo A es la figura 4c y para el ejemplo B es la figura 4e.

• Etapa 5 (Recuperación) : Esta etapa es la etapa de recuperación o recarga de calor. El fluido vuelve a pasar por el evaporador ( cámara 3, del diagrama 2, del Sistema Frigorífico Central) y recarga el calor perdido en el ciclo. El resultado final de la etapa es idéntico al final de la Etapa de Arranque, siendo compatible. Una vez en este punto el ciclo recomienza en la Etapa 1 o se sigue a la etapa de salida que se corresponde a la detención del recuperador de calor .

• Etapa de salida (detención) : El recuperar entra en esta etapa para detener su marcha. El fluido de trabajo aquí vuelve a su estado de saturación a la temperatura ambiente, como estaba al principio de la Etapa de Arranque.

B. Sistema de generación eléctrica a partir del calor atmosférico . Este ejemplo es análogo al anterior. Muestra cómo se puede cosechar calor sensible del aire de la atmósfera, y el latente de la humedad disuelta en él. Mantiene la característica de tener un origen de calor infinito y estable en términos prácticos. El ejemplo supone un país tropical, para hacer más sencillo el ejemplo, pero puede instalarse donde se pueda asegurar el proceso. La cosecha de calor se hace con un evaporador expuesto a los elementos, en una azotea. Se prefiere, pero no se limita a, una azotea o lugar expuesto al viento y el Sol. Como fluido de trabajo se utiliza el R744 que, como se consignó antes en esta descripción, es dióxido de carbono ( CO2) · Dependiendo de los objetivos, se pueden utilizar distintos fluidos de trabajo. En el ejemplo se elige el R744 porque da mejores resultados en temperaturas entre 0-10°C. En el ejemplo se supuso una temperatura ambiente de 25°C.

El análisis de datos es idéntico al anterior con la sola variación de los valores.

Se pone a continuación la Tabla 2, con los datos específicos a este ejemplo, y la gráfica de Mollier es la figura 4d y el gráfico P=/(V) del motor está en la figura 4e.

Ejemplo 4. Implementaclón de tipo comercial. Dispositivo de Generación Pulsante, el lotes o "batch" .

La cámara 200, donde tiene lugar el proceso reivindicado, tiene al menos, dos posibles implementaciones capaces de producir trabajo útil continuo con miras a su explotación comercial.

Una es la que se detalla en esta sección, de generación de fluido de alta energía potencial en lotes, o en pulsos, y otra de flujo constante.

Esta implementación de flujo pulsante es la que se utiliza en los ejemplos anteriores por ser una implementación inmediata del ejemplo 2, implementado en un ciclo que se repite una y otra vez.

Este implantación pulsante se detalla en las figura 5a y

5b.

Este desarrollo es una implementación "pulsante", o "en pulsos", por ser generado en lotes, por cilindros con un émbolo/pistón .

La primera figura 'a' muestra un conjunto de cilindro con pistón. La segunda figura, 'b' , muestra la disposición de ejemplo y una instancia del "camino de levas" que, repetida x veces y curvadas formando un cilindro de bases irregulares toma el nombre de "corona de levas" y administra el movimiento de los pistones.

La función de la "corona de levas" es idéntica a la de un "árbol de levas" sólo cambiando su topología. Mientras un árbol de levas es un eje con elementos ovoides o circulares excéntricos y hace variar la distancia radial al eje de lo que en ellos se apoye, en una corona de levas la posición varia en forma axial.

En esta implementación se prefiere una corona a un árbol de levas para mantener los cilindros en una disposición circular de modo de mantener el baño de agua caliente ("cámara 100") que los abriga lo más compacto posible. Un árbol de levas pondría los cilindros en línea y se duplicaría la superficie expuesta del baño.

El pistón se compone de varias partes y su émbolo tiene el recorrido limitado al sector de cobre del cilindro. Mantiene la cámara estanca con dos sellos tipo O-ring. Por encima tiene un desplazador cuyo objetivo es reducir al mínimo el volumen dentro del cabezal de cilindro cuando el pistón está en el PMS (Punto Muerto Superior) , con una mínima separación con las paredes, pero sin tocarlas. La biela está dividida en tres segmentos. La primera parte, rígida, no tiene movimiento respecto del émbolo y se mueve solidaria con éste. Tiene en su extremo inferior un rodamiento que sigue el perfil superior de la "corona de levas". Por dentro de esta biela se desliza una biela telescópica, es decir, utiliza este desplazamiento para variar la longitud total de la biela y la distancia de su propio rodamiento del émbolo del pistón, pero siempre manteniendo la misma dirección. Estos dos segmentos de biela se mantienen juntos con el tercer elemento que es un resorte de tracción que mantiene la biela en la mínima longitud posible. El rodamiento de la biela telescópica sigue el canto inferior de la corona de levas.

El cilindro se compone esencialmente de tres partes: el cabezal, el cuerpo de cobre y el pie. El cabezal está hecho de un material pobre en términos de conducción térmica, pero resistente a las altas presiones. En su parte superior, verticalmente arriba, o tangencialmente al costado, tiene los accesos de admisión y descarga del fluido de trabajo. El acceso de ADMISIÓN adjunta una válvula -estándar, no representada - de limitación de caudal, antirretorno (Válvula Flow-Check) que evita tanto el flujo inverso, como el flujo correcto excesivo. El acceso de DESCARGA, conecta una válvula antirretorno (Válvula Check) , estándar, tampoco esquematizada . El pie del cilindro, construido en el mismo material que el cabezal tiene un orificio de alivio de contrapresión que, no estando dibujado, conecta con el circuito de baja presión del sistema (evaporadores ) para recoger cualquier porcentaje que pudiera hacerse una vía a pesar de los O-ring. El pie tiene un resorte amortiguador del émbolo para reducir las consecuencias de la detención brusca durante el proceso de nucleación .

El cuerpo del cilindro está hecho de cobre, y es mantenido en su sitio por la presión entre el cabezal y el pie que, al tiempo que mantienen el cilindro unido, mantienen juntas las tapas del baño marra, o baño de agua caliente, que empapan el lado exterior del cobre.

El ciclo del proceso del pistón, es un ciclo de dos tiempos, cuatro etapas. Va del Punto Muerto Superior al Punto Muerto Inferior (PMI) y de nuevo al PMS . En el descenso se cumple dos etapas, una en el PMI y, la restante, en la subida del PMI al PMS.

La descripción del ciclo la podemos seguir en la figura 'b' , teniendo en cuenta que el rodamiento de la biela fija recorre la cima (sector verde) y el rodamiento de la biela telescópica, el borde inferior (sector azul) .

Al inicio del ciclo el pistón se encuentra en el PMS y el resorte se encuentra estirado (un largo total, 100% del verde) . El "camino de levas" se va moviendo hacia la izquierda al influjo de la fuerza que imprime el pistón hacia abajo mientras admite el fluido de trabajo. El fluido no entra por un vacío creado, como en un motor de pistones convencional, sino por la diferencia de presión en el émbolo (alta presión del acopio de AP, arriba, baja presión, de los evaporadores, abajo) ( " Inyección" ) . Es esta energía potencial la que genera el trabajo para bajar el pistón, desplazar el camino de levas hacia la izquierda y, como se describirá, subir el pistón en fase de descarga. Esta energía que pierde en trabajo en esta etapa, el sistema lo recupera en la fase de descarga, así que su valor se cancela. El rodamiento del resorte va acompañando el descenso, por lo que mantiene el estiramiento .

Al llegar al final del tercer sector el pistón se encuentra a mitad de su recorrido, con el resorte estirado, y a plena carga. El perfil de leva superior determina una caída abrupta, que se realiza con fuerza a oficios del resorte. Esto duplica el volumen, desciende a la mitad la presión, lo que bloquea la válvula de admisión por "Flow (control) " y nuclea el fluido de trabajo ("Nucleación y Autoenfriado") , al tiempo que lo pone en contacto con la superficie caliente del cobre ("Evaporación Súbita") . Mientras el seno del líquido se nuclea en forma adiabática, la superficie de contacto establece un sistema de evaporación súbita, y laminar luego, en un volumen lleno al 75%, aproximadamente (por la admisión de fluido antes del cierre efectivo por Stop) y todo el vapor se acumula en el cabezal del cilindro que tiene poca transferencia térmica ("Evaporación/Condensación") . El sistema se mantiene un sector del camino de levas, y comienza la descarga, con el pistón en movimiento ascendente. Esto comprime los vapores, corta la ebullición laminar, si aún estaba ocurriendo, y empieza la presurización por expansión térmica y compresión de los vapores, por la subida del pistón pero, sobre todo por la expansión térmica del fluido líquido ("Expansión/Condensación") . El pistón aquí recibe el trabajo que está ejerciendo el líquido que está siendo admitido en los otros cilindros, por lo que se verifica la compensación antes mencionada.

La descarga no necesita trabajo adicional porque no es el pistón quién presuriza el fluido y ya se encuentra a la presión más allá del acceso de descarga, por lo que la diferencia de presión que aplica el trabajo en la subida del pistón solo provoca la subida del émbolo y el desplazamiento del fluido, no su compresión ("Eyección o Expulsión") . Esta variable es autorregulable ya que si el fluido, más el trabajo ejercido, no tienen la presión del exterior la corona de levas se detiene y deja al fluido expuesto al calor, que aumenta la presión necesaria. La presión aportada por el fluido admitido es constante. Si el baño marra no tiene la temperatura necesaria para calentar el fluido a la presión necesaria, la corona de levas permanece sin moverse y el fluido que va por el canal de alto caudal cosecha calor, que se comprime y calienta el baño marra. Siempre en algún momento se ajustan las variables para que el generador se mantenga en movimiento generando el fluido de alta presión.

En este ejemplo que se muestra se utilizan seis de éstos cilindros sobre una corona de cuatro instancias del "camino de levas", de la figura 'b' . Esta corona de levas gira sobre un eje vertical. En un plano superior perpendicular al eje de la corona y fijo, distribuidas sobre la circunferencia, a la misma distancia angular entre sí de esta corona se disponen los seis cilindros.

El número de instancias de "caminos de levas" respecto al número de cilindros es discrecional, pero aquí se utilizan 6 cilindros en 4 caminos porque eso determina que los 6 cilindros estén, de a dos, en distintas etapas del ciclo. Si hubiera tantos caminos como cilindros estarían todos los cilindros admitiendo, luego todos nucleando y por último todos descargando y sería necesaria adoptar un motor para mantener la "corona de levas" girando, y lo haría a régimen dispar porque tendría que frenar la corona cuando todos están admitiendo e impulsarla con fuerza cuando todos están descargando. En esta disposición de 6 cilindros en 4 caminos se hacen posibles únicamente las dos posiciones descriptas en el detalle de la figura 'b' que se suceden en secuencia. Cuatro cilindros admitiendo y dos descargando, o dos cargando, dos nucleando y dos descargando. Siempre hay dos cilindros descargando y, al menos dos, cargando. Esta disposición permite que la presión del fluido siendo admitido en unos cilindros empuje el fluido a alta presión en los cilindros siendo descargados. Este es el "trabajo externo" detallado con la flecha azul en la figura 4a y hace innecesario una motorización de esta "corona de levas

Ejemplo 5. Implementaclón de tipo comercial. Dispositivo de Generación Continua.

Otro modo de realización posible del invento es un dispositivo de generación continua. Es una implementación del proceso reivindicado en una topología de flujo continuo. Puede aumentar o disminuir su caudal, pero este no se entregará en lotes o pulsos, como la realización posible anterior, sino que es constante.

Esta "implementación posible" está detallada en la figura

6.

El fluido parte del tanque de acopio de alta presión, es acondicionado ("Acondicionamiento/Relevamiento") , y entra por la proa de la realización que tiene forma de compresor axial/turbina. Ahí el flujo es regulado por una válvula de aguja ("Inyección") y entra en un rotor centrífugo con fugas restringidas, para que no actúe de impulsor. Este fluido que sale por las toberas del rotor se encuentra a baja presión. Por efecto Joule-Thomson se nuclea y enfría ("Nucleación y Autoenfriamiento") (sector 'A' ) para incidir directamente sobre la carcasa de cobre que es calentado por la descarga del compresor ("Ebullición súbita") (sector 'B' ) . Esta etapa evapora parcialmente la descarga y el fluido bifásico es aspirado por los rotores de un descompresor axial de una o más etapas, que mejoran el título de vapor, a expensas de aportes de calor de estatores calientes (Sectores 'Ci' y 'C ₂ ' ) , y reducen la presión ("Evaporación" de etapa "Evaporación/Condensación"). Luego entra en el sector de inyección de líquido. El líquido, del mismo tanque de acopio está a mayor presión y menor temperatura, y es más denso (lo que es decir tiene menor volumen específico) . Entra, por estar a menor presión (Sector Έ' ) y pasa al siguiente volumen donde se calienta por el propio vapor, se expande, aumenta la presión, y condensa el vapor, que vuelve a rechazar calor que calienta y expande el líquido

("Condensación" de etapa "Evaporación/Condensación") (Sector Έ' ) . Luego entra al siguiente volumen donde solamente se expande el liquido por calor (Sector 'G' ) provocando la condensación ("Expansión / Condensación") . En este punto el fluido está en su máximo punto de temperatura y volumen específico (máximo de Energía Interna) y cede parte de su energía a una turbina, que pone en movimiento todo el sistema, desde el sector Ά' , y es expulsado ("Eyección o Expulsión") donde sale en alta presión y temperatura a mover un motor.

El fluido luego de ejercer trabajo en el motor, más otra cantidad que pudiera ser necesario directamente desde el tanque de acopio, entran en el evaporador para la "cosecha de calor". Desde el evaporador el fluido de trabajo sale en fase gaseosa y entra en el compresor axial, o de pistones, en el corazón del Sector 'B' , para estar a su abrigo, no perder calor y tener una descarga lo más caliente posible, que es del fluido del que toma calor la "ebullición súbita" de la primera etapa.

Es importante notar que por la dinámica propia de esta topología lo fluidos de mayor densidad, los líquidos, tienden a ubicarse contra la carcasa mientras abrigan al centro el vapor, ofreciendo un aislamiento térmico natural.

Esta descripción tiene por objeto demostrar la correspondencia del proceso reivindicado con la topología. Una implementación obvia es poner más turbinas al final del camino y tomar la energía mecánica de este mismo eje sin necesidad de un motor externo. La cantidad de etapas de cada sector depende del diseño especifico a la necesidad o problema que se quiere resolver.